創新的燃料電池搭配標準 DC 模組達成小型長飛行時間無人機

我們談到無人機時，通常會想到其使用同級最佳功率密度的鋰機制電池 (以重量和體積評定)。傳統的想法是假設小型無人機受限於化學機制的電池電力。韓國 Doosan Mobility Innovation (DMI) 製造的小型無人機打破了這個思維。該無人機由壓縮氫氣缸為燃料電池饋入電力 (圖 1)。

圖 1：Doosan Mobility Innovation 的小型無人機由氫燃料驅動，而非傳統的電池電力。(圖片來源：Doosan Mobility Innovation)

此無人機並非單一專案、客戶研究項目或先進的研究單元。Doosan 的 DS30 是商用無人機，已用於多種專案中，例如勘查大型太陽能面板安裝、湖泊或河流的水道，以及遞送醫療用品 (包含自動體外心臟去顫器) 至偏遠地區。

此小型八旋翼機的大小不到 2 m × 2 m，高度為 750 mm，重 21 kg，具有 10.8 L 的燃料缸 (圖 2)。可折疊至各側邊小於 1 m，用於攜帶。

圖 2：DS30 是八旋翼無人機，尺寸僅為 2 m 見方，可折疊至 1 m 見方。(圖片來源：Doosan Mobility Innovation)

該公司的規格顯示，由於氫能量密度約為鋰機制電池的四到五倍，加上其相關燃料電池，該無人機在最大 5 kg 酬載時的飛行時間約為 120 分鐘，並且可以航行達 80 km。電池也可輕易填充：可在數分鐘內替換輕量碳纖材質的空燃料缸 (圖 3)，縮短無人機著陸的時間。燃料缸的尺寸不大，僅 435 mm 長，直徑為 225 mm，加壓至 350 bar。

圖 3：10.8 L 氫氣缸係由碳纖維製成，加壓至 350 bar。(圖片來源：Doosan Mobility Innovation)

燃料電池最新消息

燃料電池是掌握創新設計整體效能的起始點，而基本規格僅能說明一部份 (圖 4)。儘管燃料電池技術已運用數十年，甚至在阿波羅登月任務中也採用，Doosan 以其自行研發的設計和材料，開發出更有效率、更輕量的電池。

圖 4：燃料電池的原理很簡單，但近期在配置細節和材料的提升，增加了效率並減輕重量。(圖片來源：Doosan Mobility Innovation)

燃料電池佔用整體儲電裝置的一小部分 (圖 5)，從嵌入的氣缸中取得氫，再與氧結合產生電力。

圖 5：燃料電池置放在氫氣缸的旁邊，屬於儲電裝置的一部分。(圖片來源：Doosan Mobility Innovation)

DS30 無人機完整 DP30 儲電裝置的額定值為 2.6 W (連續)／5 kW (峰值) 功率輸出。安裝 10.8 L 氣缸後，其重量為 12.34 kg。

從原始燃料電池至調節電軌

當然，只有原始燃料電池 DC 輸出是不夠的。輸出電壓必須經過調節，才能提供乾淨且穩定的 DC 軌給旋翼馬達和電子元件。

Doosan 的工程師也面臨傳統設計決策：為提供設計所需的眾多功能，要採用創新、客製化設計或是適合的標準元件？實際上，最合理的方式是只在需要鑑別度的地方進行創新。在此主要就是燃料電池電源裝置。接著，盡可能使用高效能現成元件，設計人員便可以減少設計的未知因素、風險、整合問題、上市時間延遲，以及其他非期望及未預期的「意外」。

DS30 無人機的燃料電池有寬廣的範圍和 40 至 74 V 的可變斷路電壓 (OCV)。因此，儲電裝置提供兩個主配電網路 (PDN)：一個用於供應電源 (48 V、12 A) 至無人機的八個旋翼馬達，另一個為 12 V、8 A 輸出，用於控制器板和冷卻風扇。為了能讓 PDN 達到高效率和高功率密度，Doosan 採用 Vicor Corp. 的三款標準產品 (圖 6)：

圖 6：燃料電池的電源子系統有兩個分支：一個用於轉子，另一個用於控制板和冷卻風扇。(圖片來源：Vicor Corp.)

針對旋翼，升降壓穩壓器接受兩個氫燃料電池堆疊的輸出，提供穩定、經調節的 48 V 輸出。Vicor 的兩個 32.5 mm × 22 mm PRM48AF480T400A00 升降壓穩壓器以並聯配置，供應旋翼所需的 12 A (圖 7)。

圖 7：兩個並聯的 Vicor PRM48AF480T400A00 升降壓穩壓器為旋翼馬達供電。(圖片來源：Vicor Corp.)

針對堆疊的控制器板，使用 Vicor 的 PRM48AH480T200A00 22.0 mm × 16.5 mm 較低功率穩壓器，提供調節的 48 V、4.17 A 輸出 (圖 8)。前置 PI3546-00-LGIZ 10 × 10 mm 48 V 至 12 V 零電壓切換 (ZVS) 降壓穩壓器 (圖 9)。

圖 8：Vicor 的 PRM48AH480T200A00 在最後一階穩壓器前用於「預調節」DC 軌。(圖片來源：Vicor Corp.)

圖 9：Vicor 的 PI3546-00-LGIZ 作為至控制器板和風扇的最終電源穩壓器。(圖片來源：Vicor Corp.)

運用這些 DC-DC 穩壓器，燃料電池電源系統提供 DC 輸入至電源軌輸出的效率為 96.6%，損耗僅 23.4 W。DIY 解決方案會較難能達到更佳效果，且會花更多時間及需要更謹慎的效能評估。

結論

成功的產品創新常需要混合多種頂尖技術、非傳統思考、堅持不懈，並且搭配使用標準現成產品，善用其效能。如此便能讓設計團隊專注於系統開發、除錯、整合問題，同時盡可能排除擔憂的功能阻礙。

參考資料和規格

1 – Doosan DS30 無人機：https://www.doosanmobility.com/en/products/drone-ds30/

2 – Doosan DP30 儲電裝置：https://www.doosanmobility.com/en/products/powerpack/

3 – Doosan 氫氣缸：https://www.doosanmobility.com/en/products/hydrogen-tank/

4 – Vicor：http://www.vicorpower.com/resource-library/case-studies/doosan